研究快讯 | 新量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl 学术资讯

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 16 November 2018;

online 13 December 2018

Express Letter

From Claringbullite to a New Spin Liquid Candidate Cu3Zn(OH)6FCl

Zili Feng, Wei Yi, Kejia Zhu, Yuan Wei, Shanshan Miao, Jie Ma, Jianlin Luo, Shiliang Li, Zi Yang Meng, Youguo Shi

Chin. Phys. Lett. 2019 36(1): 017502

文章亮点

首次合成了新的量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl。该材料具有完美的Kagome结构，为人们研究量子自旋液体行为提供了新的素材，也提供了一个从反铁磁长程序到量子自旋液体相变的新的研究平台。

新量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl

量子自旋液体态是一种具有长程量子纠缠的新奇物态，具有分数化的任意子的激发，是量子物质科学新范式的代表；研究量子自旋液体对理解高温超导体的机理以及量子计算的应用具有重要的意义。因此，近年来量子自旋液体一直是凝聚态物理学和量子物质科学的研究热点。量子自旋液体态通常在蜂窝状、三角格子、笼目结构等几何阻挫磁体中实现。其中，具有笼目结构的海森堡反铁磁体是实现量子自旋液体的一个理想体系。目前，公认的量子自旋液体候选材料仍然空缺，新材料的发现对研究量子自旋液体的物理实质具有重要的意义。

图1. 磁化率和比热的温度依赖关系。(a) 1 kOe的场强下，Cu3Zn(OH)6FCl和Cu4(OH)6FCl的磁化率随温度变化曲线，纵轴采用对数坐标，可以清晰地看到Cu4(OH)6FCl在17 K左右出现相变。插图是10 kOe场强下，Cu3Zn(OH)6FCl磁化率的倒数随温度的变化曲线。对高温下的数据进行居里外斯拟合得到居里温度为-223 K，表明该材料具有很强的反铁磁关联。(b) 零场下，Cu3Zn(OH)6FCl, Cu3Zn(OH)6FBr, Cu3Zn(OH)6Cl2(Herbertsmithite)的比热数据。三者在低温下几乎保持一致的行为。插图：0.8 K以上，Cu3Zn(OH)6FCl在不同磁场下的比热数据。降温至0.8 K，仍没有观察到任何磁有序的现象，表明该材料是一个量子自旋液体候选材料。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室的石友国研究员和冯子力博士，凝聚态理论与材料计算重点实验室的孟子杨研究员，超导国家重点实验室的李世亮研究员以及日本国立材料科学研究所的衣玮等合作，首次合成了新的量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl。该材料具有完美的Kagome结构；同时，母体材料Cu4(OH)6FCl也被成功制备出来，在17 K左右存在反铁磁相变。在Cu3Zn(OH)6FCl中，Cu离子之间具有很强的反铁磁关联（大约19.2 meV），低温热力学测量表明在0.8 K以上，没有发现任何磁有序现象；同时，交流磁化率数据与频率没有明显依赖关系，排除了低温下系统进入自旋玻璃态的可能性，一系列的热力学测量结果表明Cu3Zn(OH)6FCl是一个量子自旋液体的候选材料。进一步对比Cu3Zn(OH)Cl2和Cu3Zn(OH)6FBr这两个已知的量子自旋液体体系，新的Cu3Zn(OH)6FCl体系与两者具有基本一致的行为。